專利名稱：一種兩級(jí)平行齒輪減速的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
微型撲翼飛行器是一種模仿鳥(niǎo)類飛行的新概念飛行器，它具有體積小、重量輕、使用靈活、效率高等優(yōu)勢(shì)。由于撲翼飛行器的升力、推力均由上下?lián)鋭?dòng)的撲翼提供，因此，驅(qū)動(dòng)撲翼使撲翼飛行器獲得良好的氣動(dòng)效率，同時(shí)具備較高的可靠性和良好的載荷特性就成為了影響微型撲翼飛行器整體性能好壞的重要環(huán)節(jié)。這就使得撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成為了微型撲翼飛行器研制過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有以下幾種技術(shù)途徑中國(guó)專利授權(quán)公告號(hào)CN2013M146Y，名稱為機(jī)械鳥(niǎo)的撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)用新型專利公開(kāi)了一種模擬飛鳥(niǎo)展翅飛行的具有三自由度的撲動(dòng)裝置。該裝置采用三個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、齒輪齒環(huán)機(jī)構(gòu)和齒輪組實(shí)現(xiàn)了模仿飛鳥(niǎo)展翅飛行的拍打、扭轉(zhuǎn)和擺動(dòng)的三自由度運(yùn)動(dòng)。其不足之處是機(jī)構(gòu)的組成比較復(fù)雜，難以輕量化、小型化，在微型撲翼飛行器上應(yīng)用受限；整個(gè)機(jī)構(gòu)由三個(gè)電機(jī)及其對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別獨(dú)立，需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)控制三個(gè)電機(jī)使整個(gè)機(jī)構(gòu)的撲動(dòng)協(xié)調(diào)，增加了飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，降低了可靠性。中國(guó)專利授權(quán)公告號(hào)CN101508343A，名稱為撲翼軌跡呈8字形的仿生微型飛行器的發(fā)明專利給出了一種單自由度四連桿拍翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)兩級(jí)齒輪減速器驅(qū)動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)拍翼上下拍動(dòng)，并借由拍翼的彈性變形能力和特定的撲動(dòng)頻率產(chǎn)生的氣動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)拍翼軌跡呈8字形的拍動(dòng)。其不足之處是由于機(jī)架的設(shè)計(jì)，兩級(jí)齒輪減速器的安裝難以保證同軸性，兩個(gè)齒輪軸前伸距離較長(zhǎng)，在撲動(dòng)頻率較高的情況下，易造成機(jī)構(gòu)運(yùn)行不穩(wěn)定，抖動(dòng)幅度大的現(xiàn)象，影響機(jī)構(gòu)的可靠性和使用壽命。綜合看來(lái)，現(xiàn)有撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要問(wèn)題在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大，難以應(yīng)用與微小型撲翼飛行器，可靠性差、使用壽命短等。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大，難以應(yīng)用與微小型撲翼飛行器，可靠性差、 使用壽命短等不足，本發(fā)明提供一種兩級(jí)平行齒輪減速的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠簡(jiǎn)單可靠的實(shí)現(xiàn)撲翼對(duì)稱撲動(dòng)，并且具有較高結(jié)構(gòu)效率和較大輸出功率，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，適合微型撲翼飛行器應(yīng)用。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是包含機(jī)架、電機(jī)、兩級(jí)平行齒輪減速器和四連桿機(jī)構(gòu)。所述機(jī)架為左右對(duì)稱的整體結(jié)構(gòu)，以面向機(jī)頭方向?yàn)榍懊?，在機(jī)架底面和前面上部分別有固定孔，固定孔的軸線垂直于其所在表面，機(jī)架通過(guò)所述固定孔與撲翼飛行器機(jī)身進(jìn)行螺紋連接或銷接。機(jī)架上有前后方向貫通的電機(jī)安裝孔、傳動(dòng)軸孔和曲柄軸孔，三者軸線互相平行且依次位于前者下方，均位于機(jī)架對(duì)稱平面內(nèi)。曲柄軸孔上方有左右對(duì)稱的兩個(gè)搖臂軸孔，其軸線與前述三孔的軸線平行。所述電機(jī)為機(jī)長(zhǎng)不超過(guò)60mm的直流無(wú)刷電機(jī)，在機(jī)架后側(cè)固定于電機(jī)安裝孔，電機(jī)樞軸穿過(guò)機(jī)架與兩級(jí)平行齒輪減速器的一級(jí)主動(dòng)齒輪固接，傳動(dòng)軸穿過(guò)傳動(dòng)軸孔，兩端分別與一級(jí)從動(dòng)齒輪和二級(jí)主動(dòng)齒輪固接，曲柄軸穿過(guò)曲柄軸孔，一端與二級(jí)從動(dòng)齒輪固接，另一端與曲柄固接。傳動(dòng)軸孔和曲柄軸孔中分別依次安裝軸承、限位套筒和軸承與相應(yīng)軸配合，軸孔的長(zhǎng)度至少是軸徑的3倍。所述齒輪在傳動(dòng)軸和曲柄軸上的安裝位置使得一級(jí)主動(dòng)齒輪與一級(jí)從動(dòng)齒輪嚙合，二級(jí)主動(dòng)齒輪與二級(jí)從動(dòng)齒輪嚙合，形成所述兩級(jí)平行齒輪減速器，減速比為45-65。所述四連桿機(jī)構(gòu)有兩個(gè)搖臂左右對(duì)稱分布，每個(gè)搖臂中部分別與固接于機(jī)架搖臂軸孔的搖臂軸鉸接，搖臂以其與搖臂軸鉸接位置為界，內(nèi)側(cè)橫截面小于外側(cè)橫截面，使兩個(gè)搖臂內(nèi)側(cè)軸線距離大于外側(cè)軸線距離。搖臂外側(cè)有盲孔，與撲翼翼梁插接。搖臂內(nèi)側(cè)分別與兩個(gè)連桿一端鉸接，連桿另一端與曲柄端頭的短軸鉸接，連桿和搖臂的連接點(diǎn)位于左右搖臂軸連線之間的位置。連桿靠近搖臂的一端有兩處垂直軸線方向的彎折，使連桿在所述彎折以上和以下的部分位于兩個(gè)平行但不重合的平面內(nèi)；彎折的方向使兩個(gè)連桿在靠近搖臂的一端互相遠(yuǎn)離。搖臂橫截面變化和連桿彎折的作用是，在四連桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)較大的位置額外留出一定空間，使四連桿機(jī)構(gòu)組裝時(shí)可以在前后方向盡量緊湊，而不必考慮因零件制造和安裝誤差造成的運(yùn)動(dòng)干涉。所述四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸關(guān)系是，若以曲柄長(zhǎng)度為基準(zhǔn)長(zhǎng)度1.0，連桿長(zhǎng)度為 5. 0-5. 5，搖臂軸線間距為2. 7-2. 9，搖臂軸連線與曲柄軸軸線間距為5. 2-5. 3。所述四連桿機(jī)構(gòu)在機(jī)架前后方向與兩級(jí)平行齒輪減速器在不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉的前提下盡量靠近。所述機(jī)架的尺寸由所述四連桿機(jī)構(gòu)確定，高度為四連桿機(jī)構(gòu)確定的搖臂軸連線與曲柄軸軸線的距離，最大寬度為兩個(gè)搖臂軸孔的距離。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過(guò)簡(jiǎn)單的兩級(jí)平行齒輪減速器和四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了將電機(jī)輸出的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)閾u臂合適頻率的上下?lián)鋭?dòng)，通過(guò)優(yōu)選的減速比和四連桿機(jī)構(gòu)尺寸關(guān)系滿足撲翼飛行器對(duì)撲翼?yè)鋭?dòng)頻率和搖臂上下?lián)鋭?dòng)角度的要求，左右搖臂撲動(dòng)的不對(duì)稱度也控制在滿足實(shí)際需要的范圍內(nèi)。整個(gè)機(jī)構(gòu)具有較大的輸出功率。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，尺寸合理，適合在微型撲翼飛行器上應(yīng)用。四連桿機(jī)構(gòu)連桿的彎折和搖臂橫截面形狀的變化使得兩個(gè)連桿在曲柄一端能夠靠近而不必?fù)?dān)心運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與搖臂發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，這就減小了四連桿機(jī)構(gòu)前后方向的尺寸。機(jī)架的高度由搖臂軸線與曲柄軸線確定，這個(gè)高度所提供的空間可以布置電機(jī)和兩級(jí)平行齒輪減速器，獲得高度方向上良好的空間利用率。機(jī)架的最大寬度為搖臂軸線間距，在高度確定的前提下獲得了整個(gè)機(jī)構(gòu)的最小迎風(fēng)面積，方便在微型撲翼飛行器上安裝。四連桿機(jī)構(gòu)在前后方向盡量與兩級(jí)平行齒輪減速器靠近，獲得前后方向的最小尺寸。本發(fā)明具有較高的可靠性和較長(zhǎng)的使用壽命。機(jī)架為數(shù)控加工一體化結(jié)構(gòu)，具有很高的定位精度，很大程度上減少了安裝誤差，也就減少了使用磨損。傳動(dòng)軸和曲柄軸有較長(zhǎng)的軸孔并與軸承和限位套筒配合安裝，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中能有效合理的承載，保證傳動(dòng)效率和使用壽命。


圖1為本發(fā)明示意圖；圖2為本發(fā)明與機(jī)身和撲翼連接方式示意圖；圖3為本發(fā)明傳動(dòng)軸和曲柄軸安裝方式示意圖；圖4為本發(fā)明機(jī)架后方示意圖；圖中1-機(jī)架，IA-電機(jī)安裝孔，IB-傳動(dòng)軸孔，IC-曲柄軸孔，1D、1D’ -搖臂軸孔， 2-電機(jī)，3A- 一級(jí)主動(dòng)齒輪，3C- 一級(jí)從動(dòng)齒輪，3D- 二級(jí)主動(dòng)齒輪，3E-曲柄軸，3F- 二級(jí)從動(dòng)齒輪，4、4’ -搖臂，4A、4A’ -搖臂軸，5、5，-連桿，6-曲柄，7-機(jī)身隔框，8、8，-撲翼，8A、 8A’ -撲翼翼梁，9-軸承，10-限位套筒。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明的兩級(jí)平行齒輪減速的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包含機(jī)架、電機(jī)、兩級(jí)平行齒輪減速器和四連桿機(jī)構(gòu)。機(jī)架1為左右對(duì)稱的整體結(jié)構(gòu)，底面和前面上部分別有軸線垂直于表面的固定孔，通過(guò)所述固定孔與撲翼飛行器機(jī)身隔框7連接，連接方式為銷接或螺紋連接。機(jī)架1有前后方向的電機(jī)2安裝孔1A、傳動(dòng)軸孔IB和曲柄軸孔1C，三者軸線互相平行且依次位于前者下方，均位于機(jī)架1對(duì)稱平面內(nèi)。曲柄軸孔IC上方有左右對(duì)稱的兩個(gè)搖臂軸孔ID ID', 其軸線與前述三孔的軸線平行。此外，機(jī)架1還在兩搖臂軸孔ID 1D’之間、傳動(dòng)軸孔IB和曲柄軸孔IC之間開(kāi)有減輕孔。所述電機(jī)2為機(jī)長(zhǎng)不超過(guò)60mm的直流無(wú)刷電機(jī)，在機(jī)架1后側(cè)固定于電機(jī)安裝孔，其樞軸穿過(guò)機(jī)架1與兩級(jí)平行齒輪減速器的1級(jí)主動(dòng)齒輪3A固接，傳動(dòng)軸穿過(guò)傳動(dòng)軸孔1B，兩端分別與1級(jí)從動(dòng)齒輪3C和2級(jí)主動(dòng)齒輪3D固接，曲柄軸3E穿過(guò)曲柄軸孔1C， 一端與2級(jí)從動(dòng)齒輪3F固接，另一端與曲柄6固接。傳動(dòng)軸孔IB和曲柄軸孔IC中分別依次安裝軸承9、限位套筒10和軸承9與相應(yīng)軸配合，軸孔的長(zhǎng)度至少是軸徑的3 3. 5倍， 限位套筒由位于機(jī)架1側(cè)面的緊固螺釘固定。所述齒輪在兩個(gè)軸上的安裝位置是，1級(jí)主動(dòng)齒輪3A與1級(jí)從動(dòng)齒輪3C嚙合，2級(jí)主動(dòng)齒輪3D與2級(jí)從動(dòng)齒輪3F嚙合，即1級(jí)主動(dòng)齒輪和1級(jí)從動(dòng)齒輪位于機(jī)架1前方，2級(jí)主動(dòng)齒輪和2級(jí)從動(dòng)齒輪位于機(jī)架1后方，形成所述兩級(jí)平行齒輪減速器。其減速比為45-65，減速比根據(jù)所用電機(jī)2負(fù)載工作狀態(tài)轉(zhuǎn)速和撲翼飛行器飛行所需撲翼?yè)鋭?dòng)頻率確定，優(yōu)選使用的減速比為51。減速器兩級(jí)使用相同的主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪，減少制造成本。所述四連桿機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱的有兩個(gè)搖臂4、4’，搖臂4 4’中部與固接于機(jī)架搖臂軸孔1D、1D’的搖臂軸4A、4A’鉸接，搖臂4、4’以其與搖臂軸4A、4A’鉸接位置為界，內(nèi)側(cè)橫截面小于外側(cè)橫截面，使兩個(gè)搖臂44’內(nèi)側(cè)軸線距離大于外側(cè)軸線距離。搖臂4、4’外側(cè)部分有盲孔，與撲翼翼梁8A、8A’插接。搖臂4、4’內(nèi)側(cè)分別與兩個(gè)連桿5、5’ 一端鉸接，兩個(gè)連桿另一端與曲柄6端頭的短軸鉸接，連桿和搖臂的連接點(diǎn)位于左右搖臂軸連線之間的位置。連桿靠近搖臂的一端有兩處垂直軸線方向的彎折，使連桿在所述彎折以上和以下的部分位于兩個(gè)平行但不重合的平面內(nèi)；彎折的方向是，使兩個(gè)連桿5、5’在靠近搖臂4、4’的一端互相遠(yuǎn)離。所述四連桿機(jī)構(gòu)若以曲柄6長(zhǎng)度為基準(zhǔn)長(zhǎng)度1. 0，連桿長(zhǎng)度為5. 0-5. 5，搖臂軸線間距為2. 7-2. 9，搖臂軸連線與曲柄軸軸線間距為5. 2-5. 3。不同的尺寸比例關(guān)系會(huì)獲得不同的撲動(dòng)角度和不對(duì)稱度，應(yīng)當(dāng)根據(jù)撲翼飛行器對(duì)撲翼?yè)鋭?dòng)角度的要求選擇不對(duì)稱度在允許范圍內(nèi)的尺寸比例關(guān)系。優(yōu)選尺寸關(guān)系為，連桿5 5’長(zhǎng)度為5.29，搖臂4 4’長(zhǎng)度為 1. 71，搖臂軸線間距為2. 86，搖臂軸連線與曲柄軸軸線間距為5.四。此時(shí)，四連桿機(jī)構(gòu)搖臂的撲動(dòng)幅度為72°，不對(duì)稱度較小，滿足撲翼飛行器飛行要求。所述機(jī)架1的尺寸由四連桿機(jī)構(gòu)確定，高度為四連桿機(jī)構(gòu)確定的搖臂軸4A、4A’連線與曲柄軸3E軸線的距離，最大寬度為兩個(gè)搖臂軸孔1D、1D’的距離。曲柄軸3E穿過(guò)曲柄軸孔IC之后向前延伸一段距離再與曲柄6連接，避開(kāi)減速器的1級(jí)從動(dòng)齒輪3C，使四連桿機(jī)構(gòu)在機(jī)架1前后方向與兩級(jí)平行齒輪減速器在不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉的前提下盡量靠近。機(jī)構(gòu)工作時(shí)，電機(jī)2的高速轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)兩級(jí)平行齒輪減速器進(jìn)行減速使曲柄6繞曲柄軸3E轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)連桿5、5’帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)搖臂4、4’上下?lián)鋭?dòng)。
權(quán)利要求
1.一種兩級(jí)平行齒輪減速的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包含機(jī)架、電機(jī)、兩級(jí)平行齒輪減速器和四連桿機(jī)構(gòu)，其特征在于所述機(jī)架為左右對(duì)稱的整體結(jié)構(gòu)，以面向機(jī)頭方向?yàn)榍懊妫跈C(jī)架底面和前面上部分別有固定孔，固定孔的軸線垂直于其所在表面，機(jī)架通過(guò)所述固定孔與撲翼飛行器機(jī)身進(jìn)行螺紋連接或銷接；機(jī)架上有前后方向貫通的電機(jī)安裝孔、傳動(dòng)軸孔和曲柄軸孔，三者軸線互相平行且依次位于前者下方，均位于機(jī)架對(duì)稱平面內(nèi)；曲柄軸孔上方有左右對(duì)稱的兩個(gè)搖臂軸孔，其軸線與前述三孔的軸線平行；所述電機(jī)為機(jī)長(zhǎng)不超過(guò)60mm的直流無(wú)刷電機(jī)，在機(jī)架后側(cè)固定于電機(jī)安裝孔，電機(jī)樞軸穿過(guò)機(jī)架與兩級(jí)平行齒輪減速器的一級(jí)主動(dòng)齒輪固接，傳動(dòng)軸穿過(guò)傳動(dòng)軸孔，兩端分別與一級(jí)從動(dòng)齒輪和二級(jí)主動(dòng)齒輪固接，曲柄軸穿過(guò)曲柄軸孔，一端與二級(jí)從動(dòng)齒輪固接，另一端與曲柄固接；傳動(dòng)軸孔和曲柄軸孔中分別依次安裝軸承、限位套筒和軸承與相應(yīng)軸配合，軸孔的長(zhǎng)度至少是軸徑的3倍；所述齒輪在傳動(dòng)軸和曲柄軸上的安裝位置使得一級(jí)主動(dòng)齒輪與一級(jí)從動(dòng)齒輪嚙合，二級(jí)主動(dòng)齒輪與二級(jí)從動(dòng)齒輪嚙合，形成所述兩級(jí)平行齒輪減速器，減速比為45-65 ；所述四連桿機(jī)構(gòu)有兩個(gè)搖臂左右對(duì)稱分布，每個(gè)搖臂中部分別與固接于機(jī)架搖臂軸孔的搖臂軸鉸接，搖臂以其與搖臂軸鉸接位置為界，內(nèi)側(cè)橫截面小于外側(cè)橫截面，使兩個(gè)搖臂內(nèi)側(cè)軸線距離大于外側(cè)軸線距離；搖臂外側(cè)有盲孔，與撲翼翼梁插接，搖臂內(nèi)側(cè)分別與兩個(gè)連桿一端鉸接，連桿另一端與曲柄端頭的短軸鉸接，連桿和搖臂的連接點(diǎn)位于左右搖臂軸連線之間的位置；連桿靠近搖臂的一端有兩處垂直軸線方向的彎折，使連桿在所述彎折以上和以下的部分位于兩個(gè)平行但不重合的平面內(nèi)；彎折的方向使兩個(gè)連桿在靠近搖臂的一端互相遠(yuǎn)離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩級(jí)平行齒輪減速的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸關(guān)系是，若以曲柄長(zhǎng)度為基準(zhǔn)長(zhǎng)度1.0，連桿長(zhǎng)度為5. 0-5. 5，搖臂軸線間距為2. 7-2. 9，搖臂軸連線與曲柄軸軸線間距為5. 2-5. 3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩級(jí)平行齒輪減速的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的四連桿機(jī)構(gòu)在機(jī)架前后方向與兩級(jí)平行齒輪減速器在不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉的前提下盡量靠近。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩級(jí)平行齒輪減速的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的機(jī)架的尺寸由所述四連桿機(jī)構(gòu)確定，高度為四連桿機(jī)構(gòu)確定的搖臂軸連線與曲柄軸軸線的距離，最大寬度為兩個(gè)搖臂軸孔的距離。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種兩級(jí)平行齒輪減速的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由機(jī)架、電機(jī)、兩級(jí)平行齒輪減速器和四連桿機(jī)構(gòu)組成，在機(jī)架上固定微型電機(jī)，驅(qū)動(dòng)兩級(jí)平行齒輪減速器，帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)搖臂，將微型電機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)樗倪B桿機(jī)構(gòu)搖臂合適頻率的上下?lián)鋭?dòng)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，占用空間小，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，適合用于微型撲翼飛行器。
文檔編號(hào)B64C33/02GK102211667SQ201110094318
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月14日
發(fā)明者宋筆鋒, 李洋, 楊文青, 王利光, 王進(jìn), 高廣林 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)